Transcript 기계공학개론 제4장
기계공학개론 Introduction to Mechanical Engineering 4장 융합기계 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 4장 융합기계 시스템 Fusion Mechanical Systems 4.1 서론 4.2 지능기계 시스템 4.3 바이오기계 시스템 4.4 마이크로/나노기계 시스템 4.5 친환경기계 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 4.1 서론 서론 21세기 지식기반 정보화 사회 – 정보기술, 바이오기술, 마이크로/나노기술, 친환경기술 등이 기계 시스템에 접목 → 융합기계 시스템 : 진보된 사회적 욕구를 충족시킬 수 있는 신제품 개발 지능기계 시스템 – 전통적인 기계 시스템에 정보기술 융합 바이오기계 시스템 – 인체와 같은 바이오 시스템에 바이오기술과 기계기술 융합 마이크로/나노기계 시스템 – 마이크로/나노미터 크기의 초소형 기계 시스템 친환경기계 시스템 – 친환경 욕구를 충족시킬 수 있는 친환경기술을 접목한 기계 시스템 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 3 4.1 서론 융합기계 시스템 동영상 (융합기계 관련 인터 뷰) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 4 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템 제임스 와트의 원심조속기 (제1차 산업혁명) 1) 터빈축의 회전속도 증가 → 조속기축의 회전속도 증가 2) 추에 작용하는 원심력 증가 → 슬리브 상승 기계에 지능 부여 3) 링크 : 밸브를 잠그는 방향으로 회전 → 증기량 감소 → 터빈축의 회전속도 감소 전자제어기술에 의한 제2차 산업혁명 (1980년대) – 전자제어기술이 기계 시스템에 접목되어 지능기계 시스템이 비약적으로 발전 → 기계들이 인간의 육체노동 및 정신노동을 대신 함 → 현대산업 : 인간과 기계의 새로운 공존 또는 분업의 형태로 발전 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 5 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 정의 지능기계 시스템 – 주어진 목표를 달성하기 위하여 기계 시스템의 내부변수들을 자율적으로 제어할 수 있는 기계 시스템 → 기계 시스템의 고성능/고품질 실현 – 지능기계 시스템의 분류 : 고전적인 지능기계 시스템, 메카트로닉스 시스템, 로봇 전기, 전자, 컴퓨터 및 제어기술 융합 – 고전기계 시스템 : 지능기계 시스템이 거의 없음 – 현대기계 시스템 : 기계 시스템에 전기, 전자, 컴퓨터 및 제어기술 융합 → 디지털 방식에 의해 지능기계 시스템을 비교적 쉽게 만들 수 있음 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 6 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 구성 지능기계 시스템(예 : 용접로봇)과 인간의 구조 – 손과 발의 근육 : 구동원(전기모터) – 손과 발 : 제어대상(그립(로봇 손)) – 눈과 코 : 센서(인코더) – 두뇌 : 제어기(마이크로 프로세서) 인공지능 – 컴퓨터와 메모리 반도체 등의 발전과 더불어 소프트웨어 기술 급속히 발전 → 소프트웨어가 인간과 같이 유연한 사고를 할 수 있는 인공지능의 수준까지 발전 예상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 7 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 활 용 지능기계기술 – 마이크로 일렉트로닉스의 출현 : 기계기술과 융합 → 지능기계 시스템 출현 – 공작기계, 로봇, 수송기계 시스템, 재봉틀, 카메라 등에 활용 → 지능화, 시스템화 공작기계 – 고전 공작기계 (1950년대) : 전기적인 요소가 거의 없는 전통적인 기계 시스템 – 현대 공작기계 (1970년 이후) : 기계기술과 전자제어기술이 융합된 NC공작기계 – 기계기술과 전자제어기술 등이 융합된 지능기계 시스템 → 유연생산 시스템 그림 4.1 CNC에 의한 자동가공 모습 Introduction to Mechanical Engineering 그림 4.2 자동차 생산라인의 용접용 로봇 기계공학개론 8 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템 동영상 (CNC 자동 가공) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 9 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 활용 로봇 – 체코의 극작가 카렐 차펙(Karel Capek) 의 희곡 ‘로섬의 우주로봇’ (1920년)에서 처음 소개 – 로봇의 어원 : Robota(체고어) / 강제적 노동 또는 노예 제 1 원칙 로봇은 인간을 해쳐서는 안 되며 위험에 처해 있는 인간을 방관해서도 안 된다. 아이작 아시모프 ‘로봇의 윤리헌장’ 제 2 원칙 로봇은 제 1원칙에 위배되지 않는 한 인간의 명령에 복종해야 한다. 제 3 원칙 로봇은 상위 원칙에 위배되지 않는 한 그림 4.3 인간형 지능로봇 휴보 Introduction to Mechanical Engineering 자기 자신을 보호해야 한다. 기계공학개론 10 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템 동영상 (휴 먼로봇) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 11 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 활용 로봇의 활용 – 빌 게이츠(2006년) : “PC 이후 다음 세대는 로봇혁명의 시대” – 사람이 활동하기 어려운 산업현장에서 활약하는 로봇에서 가사도우미 로봇 까지 – 미국과 일본 : 세계 로봇시장 50% 차지, 우리나라 : 세계 5위 로봇산업국(2008년 기준) 세계 3대 로봇강국 도약 계획/ 홈서비스 로봇, 실버 및 헬스케어 로봇, 사회안전 및 국방 로봇, 초정밀 및 초소형 제조로봇 등이 차세대 6대 중점전략기술에 포함 무인 수송기계 시스템 그림 4.4 무인항공기 Introduction to Mechanical Engineering 그림 4.5 무인이동차량 기계공학개론 12 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템 동영상 (무인자 동차) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 13 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 향후 전 망 기계기술 부분 – 소형화, 경량화에 대한 요구 증대 → 기계재료의 강도 및 경도를 만족하는 신소재의 개발이 요구됨 전자제어기술 부분 – 정밀화, 고속화에 필요한 요소부품 개발이 요구됨 → 소프트웨어 보다는 하드웨어의 개발이 관건 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 14 4.2 지능기계 시스템 지능기계 시스템의 향후 전망 미세메카트로닉스 시스템(micro mechatronic system) – 세라믹 및 엔지니어링 플라스틱(engineering plastic)과 같은 신소재들의 개발로 가능해질 것으로 예상 – 현재의 지능기계 시스템 : 기계와 전기의 두 요소를 결합하여 시스템화 – 미래의 마이크로 지능기계 시스템 : 기계와 전기요소를 하나의 요소로 생각하여 제조하는 방식으로 점점 발전할 것임 지능 관련 소프트웨어 – 고기능 및 지능화의 방향을 추구하는 인공지능기법의 소프트웨어를 구체화시키는 방향으로 발전할 것임 → 인공지능형 시스템 또는 제품 구현 산업현장에서 활용 전망 – 지능화, 자동화, 정밀화 및 고속화 등의 첨단 기술 분야에서 꼭 필요한 기술 → 지능기계기술은 산업용 로봇, NC공작기계, 무인창고, 무인반송차, FMS, CIM 등에 필수적인 기술로 이용됨 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 15 4.3 바이오기계 시스템 바이오기계 시스템 21세기 핵심 첨단산업 – 바이오 관련 기초연구를 바탕으로 타 산업분야 기술과의 융합을 통한 집적화 산업 – 생명체에 대한 이해, 각종 분석과 정보기술, 나노기술의 발달로 바이오산업 성장 – 세계인구의 증가와 노령화 → 바이오산업의 성장 잠재력 무한대 바이오기계 시스템의 적용 대상 – 차세대 의료기기, 바이오 인공장기, 생체공학, 나노 바이오 기술 집적화 산업 화학 전자 기계 소재 + 바이오 관련 기초연구 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 16 4.3 바이오기계 시스템 바이오기계 시스템 동영상 (바이오기 계) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 17 4.3 바이오기계 시스템 차세대 의료기기 출산율 감소화 및 고령화 시대 도래 – 건강에 대한 관심이 점점 증대 – 첨단 의료기기의 출현 및 의료기기의 일반 대중화 가속화 유비쿼터스 - 건강 – 정보기술의 발달로 언제 어디서나 서비스가 가능한 사이버 의료 공간 탄생 – 전자 의료기기 시장 확대 : $1940억(2007년) → $2610억(2012년)으로 성장 예상 – 3차원 영상전환, 분자 이미지 기술, 나노/MEMS 기술 적용이 큰 이슈 – 이 분야(차세대 의료용 영상 진단기기 등)의 중요성 인식 → 여러 지원사업 진행 중 (a) MRI 장치 (b) MRI 촬영 영상 그림 4.6 MRI 장치와 촬영영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 18 4.3 바이오기계 시스템 바이오 인공장 기 인공장기의 필요성 – 사고나 질병에 의한 인체의 장기나 조직의 손상 급증 – 실제 이식할 수 있는 장기 절대적으로 부족 → 바이오 인공장기에 대한 지속적인 기술 개발이 요구됨 인공장기 – 1980년대 콜라겐 천연단백질을 이용한 인공피부가 최초 – 인공혈관, 인공고막, 인공심장, 인공항문 등 실용화 단계 그림 4.7 인체와 인공장기 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 19 4.3 바이오기계 시스템 생체공학 생체공학 : 인간의 신체적 잠재력 확장 – 인체의 한 부분으로 역할을 하며 신체에 통합되는 단계로 발전 착용형 외골격 로봇시스템 BLEEX – 2004년 미국 버클리대학 기계공학과 연구진 개발 – 다리에 착용하는 외골격 로봇 → 수 km의 거리를 지치지 않고 행군 가능 – 군용뿐만 아니라 다리 골절환자의 적용 방안 연구 중 그림 4.8 BLEEX 90kg 군장 착용 모습 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 20 4.3 바이오기계 시스템 생체공학 다중 손가락 인공손 – 미국 러트거스대학 연구진 다중 손가락 인공손 ‘덱스트라’ 개발 – 팔의 절단부 근처에 위치한 센서로 데이터를 수집하여 잡기와 같은 명령 수행 인공눈 – 미국 스탠포드대학 물리학과 연구진 개발 – 망막이 손상된 사람들을 위한 광학장치 – 동물을 이용한 초기 실험에서 실현가능성 확인 그림 4.9 세계최초의 다중 손가락 인공손 Introduction to Mechanical Engineering 그림 4.10 인공눈 기계공학개론 21 4.3 바이오기계 시스템 바이오기계 시스템 동영상 (생체공학) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 22 4.3 바이오기계 시스템 나노 바이오 기술 나노기술 – 나노기술을 생체에 적용 – 혈관 속에서 독자적으로 움직이는 초소형 로봇으로 외과적 수술 가능 – 암과 심장병 진단, 순환계 질환의 조기 경보와 치료체계 구축도 가능 – 나노 입자를 통해 암과 알츠하이머 등 불치병을 극복하는 유전자 치료에도 사용 그림 4.11 암세포를 공격하는 나노벌레 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 23 4.3 바이오기계 시스템 바이오기계 시스템 동영상 (나노 로봇) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 24 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로/나노기계 시스템 마이크로/나노 기술 – 유비쿼터스화, 에너지 소비의 효율화, 환경오염물질 배출 감소 등 미래 사회의 변화에 대응할 수 있는 핵심기반기술, 사회기반기술 → 인간의 삶의 질 향상에 크게 기여 → 급속한 고령화 사회에 대비한 보건·의료 기술의 개발, 지속 가능한 경제성장을 위한 환경친화적 에너지 공급 등 공공적인 이슈들을 해결하는데 기여 – 전통산업과 융합하여 기존 기술의 한계 극복 → 성장동력의 핵심 역할, 새로운 산업창출 및 고용창출을 통해 국가경쟁력 강화 우리나라의 마이크로/나노 산업 전망 – 2005년: 35조원(2.4%), 2010년: 104조원, 2020년: 593조원(22.6%) 예상 → 마이크로/나노 기술이 적용된 제품, 산업규모 급속히 성장할 것으로 전망 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 25 4.4 마이크로/나노기계 시스템 나노기술 동영상 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 26 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로/나노기계 시스템의 활 용 마이크로/나노 가공 – 육안으로 확인 할 수 없는 크기의 기계부품 가공 – 물질의 최소 구성 단위인 원자를 직접 조작하여 가공 → 탄소나노튜브의 개발로 가능 (a) 니켈 마이크로 기어 (b) 탄소나노튜브 집게로 잡은 분자 그림 4.12 마이크로 가공과 나노 가공 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 27 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로/나노기계 시스템의 활 용 휴대화, 소형화, 다기능화 – 현재 출시된 대표적인 예 : 휴대폰/ 개발중인 제품 : 입는 컴퓨터, 유연 표시소자 휴대폰 – 통화 기능의 휴대폰에서 은행업무, 촬영, 인터넷 등 다양한 역할 가능 → 움직이는 사무실 역할 – 소형화, 지속적인 기능 추가 요구됨 → 마이크로/나노 기계기술의 활용도 증대 (a) 휴대폰(갤럭시S, 아이폰4) (b) 입는 컴퓨터 (c) 유연 표시소자 그림 4.13 휴대화, 경박단소화, 다기능화를 위한 제품 예 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 28 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로/나노기계 시스템의 활 용초소형기계의 물리법칙 – 쇠 젓가락 : 물 위에 놓으면 가라앉음/ 작은 클립 : 조심스럽게 물 위에 놓으면 뜸 – 덩치가 크고 무거운 물체 : 중력의 영향을 지배적으로 받음 – 덩치가 매우 작고 가벼운 물체 : 물의 표면장력의 영향을 지배적으로 받음 소금쟁이 로봇 – 마이크로/나노 수준의 기계가공법이 요구됨 (a) 살아있는 소금쟁이 (b) 소금쟁이 로봇 그림 4.14 물 위에 떠 있는 소금쟁이 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 29 4.4 마이크로/나노기계 시스템 MEMS 동영상 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 30 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로 가공기술 마이크로 가공기술 – 마이크로머시닝 또는 MEMS 기술 – 반도체 칩을 제작하는 집적회로(integrated circuits; IC) 제작기술로부터 비롯 – 초기 집적회로 제작기술에 사용되었던 박막증착기술과 실리콘 및 박막식각기술이 그대로 적용됨 리소그래피(lithography) – 빛을 이용한 가공방법 – 기존의 기계가공으로 가공하기 힘든 마이크로미터 크기의 가공 가능 그림 4.15 양성 감광제를 이용한 사진공정 Introduction to Mechanical Engineering 그림 4.16 실리콘 웨이퍼 표면 식각 및 유기용제를 이용한 감광막 제거 기계공학개론 31 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로 가공기 술 MEMS 기술 응용 – 집적회로의 옆이나 위에 초소형 기계구조물을 동시에 제작 가능 → 연산회로와 기계구조물이 실리콘 웨이퍼 위에 존재하는 새로운 형태의 기계 시스템 제작 가능 자동차 에어백용 가속도계 – 집적회로 옆에 초소형 기계구조물을 제작 – 기존의 손바닥 만 하던 회로기판 → 크기 4mm의 일체형으로 작아짐 (a) 에어백용 가속도계 (b) 패키징된 에어백용 가속도계 그림 4.17 자동차 에어백용 가속도계 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 32 4.4 마이크로/나노기계 시스템 마이크로 가공기술 초소형 거울어레이(micro-mirror device) – 빔 프로젝터의 핵심부품으로 사용됨 초소형 거울 반도체 집적회로 정전력 유도 전극 (a) 구동원리 (c) 초소형 거울어레이와 개미의 다리 (b) 초소형 알루미늄 거울 (d) 패키징된 초소형 거울어레이 그림 4.18 마이크로가공 기술로 제작한 초소형 거울어레이 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 33 4.4 마이크로/나노기계 시스템 나노 가공기술 나노기술 – 나노미터 단위의 물질을 형성, 제어, 조작, 측정 및 평가하는 모든 것을 말함 – 마이크로미터 크기와는 달리 나노미터 크기는 원자 또는 분자 수준의 크기 → 물질 특성이 덩어리 형태일 때와 크게 다름 – 가공방법 : 원재료를 나노미터 수준의 크기로 가공하는 방법, 원자나 분자를 레고 조립하듯이 쌓거나 끼우는 방법 사용 (a) 개념도 (b) 가공품 그림 4.19 나노 가공기술로 제작한 가공품 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 34 4.4 마이크로/나노기계 시스템 나노 가공기술 레이저 가공법 – 레이저에서 나오는 광자에너지(photon energy) 이용 – 두 개의 광자를 아주 짧은 시간에 특정 위치에 보낼 수 있는 레이저 기술 이용 – 기존의 공정으로 제작하기 어려운 임의의 3차원 형상 제작 가능 (a) 황소모형 (b) 인체 및 용 모형 (c) 로댕의 생각하는 사람 모형 그림 4.20 펨토초 레이저로 가공한 다양한 나노구조물 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 35 4.4 마이크로/나노기계 시스템 나노 가공기술 나노임프린트 공정 – 나노구조물을 형성하는 방법 : 나노 요철이 형성된 몰드를 이용하여 기판 위에 코팅된 폴리머 박막을 누름 나노몰드 – 고체상태의 폴리머를 가공하려면 어려움 → 기판 위에 액체상태의 광경화성 수지를 도포한 후 나노몰드를 누른 상태로 빛을 노출시켜 굳게 만드는 방법 적용 – 대면적 나노전자부품의 패터닝 기술에 적용하기 위한 상용 기술개발 진행 중 (a) 몰드 누름 (b) 몰드 누름 그림 4.21 나노임프린트 공정 순서 Introduction to Mechanical Engineering (c) 몰드 분리 (a) 나노 몰드 (b) 공정 결과 그림 4.22 나노몰드와 이를 이용한 나노임프린트 공정결과 기계공학개론 36 4.5 친환경기계 시스템 친환경기계 시스템 ‘친환경’ 중요성 인식 – 온실가스 증가로 인한 전 세계적인 기상이변 → 기후변화협약 기후변화협약(국제연합기본협약) – 1992년 : 브라질 리우데자네이루에서 ‘국제연합기본협약’ 체결/ 온실가스에 의한 지구온난화를 줄이기 위함 – 1997년 : 일본 교토에서 ‘교토의정서’ 체결/ 의무적인 배출량 제한 규정 – 2005년 : 교토의정서 발효 → 교토의정서 제3조 : 2008년부터 2012년까지의 기간 중에 선진국 전체의 온실가스 배출량을 1990년 수준보다 적어도 5.2% 이하로 감축할 것을 목표로 함 – 2009년 : 덴마크 코펜하겐에서 ‘유엔 기후변화 정상회의’ (표 4.1 참조) Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 37 4.5 친환경기계 시스템 기후변화협약과 신재생에너지 표 4.1 주요국가의 온실가스 감축 목표 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 38 4.5 친환경기계 시스템 기후변화협약과 신재생에너지 온실가스 – 6대 온실가스 : 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFC), 과불화탄소(PFC), 6불화황(SF6) – 이산화탄소 : 비중이 월등히 높음 (75%), 화석연료의 연소과정에서 주로 발생 → 발전시스템과 수송기계시스템에서 발생되는 이산화탄소의 감축이 가장 당면한 과제 → 대기오염문제를 근본적으로 해결할 수 있는 신재생에너지에 관한 관심 증대 신재생에너지 – 신재생에너지 : 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물 유기체 등을 포함하는 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지 – 재생에너지 : 태양광, 태양열, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 – 신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 39 4.5 친환경기계 시스템 친환경기계 시스템 동영상 (신재생에너지) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 40 4.5 친환경기계 시스템 태양광/열발전 시스템 태양전지(solar cell) – 태양광 : 가장 풍부하고 고갈 염려가 없는 에너지원 (2010년 사용하고 있는 전체 에너지량 12테라와트(TW)의 1만 배인 약 12만TW ) – 태양광발전 시스템 : 태양광에너지를 직접 전기에너지로 변환 → 태양전지로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성 그림 4.24 태양전지의 발전원리 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 41 4.5 친환경기계 시스템 태양광/열발전 시스템 태양전지의 분류와 애로점 – 반도체 소재에 따라 실리콘과 비실리콘으로 가장 크게 분류 – 반도체 소재의 형상에 따라 결정형과 박막형으로 구분 그림 4.25 다양한 태양전지의 분류와 애로점 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 42 4.5 친환경기계 시스템 태양광/열발전 시스템 태양열발전 – 태양열의 흡수·저장·열변환 등을 통하여 증기터빈과 발전기를 통해 전기 생산 – 건물의 냉난방, 급탕 등에 주로 사용됨, 태양광에 비해 유지보수비가 적게 듦 – 에너지밀도가 낮고 간헐적인 발전, 초기 설치비용이 많이 듦 태양열발전 시스템의 구성 – 집열부, 축열부, 증기발생기, 증기터빈 등 그림 4.26 태양열발전의 원리와 설치 예 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 43 4.5 친환경기계 시스템 연료전지 연료전지(fuel cell) – 연료와 전기화학반응을 통하여 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환 그림 4.27 PEMFC 단위 셀의 구조와 스택 표 4.2 연료전지의 종류 PAFC MCFC SOFC PEMFC DMFC AFC 전해질 인산 탄산리튬 탄산칼륨 지르코니아 수소이온 교환막 수소이온 교환막 수산화칼륨 이온전도체 수소이온 탄산이온 산소이온 수소이온 수소이온 수소이온 작동온도 (℃) 200 650 1000 < 100 < 100 < 100 연료 수소 수소 일산화탄소 수소 일산화탄소 수소 메탄올 수소 연료원료 도시가스, LPG 도시가스,LPG,석탄 도시가스 LPG 메탄올,메탄휘발유, 수소 메탄올 수소 효율 (%) 40 >45 >50 45 30 40 출력범위 (kW) 100~5,000 1,000~10,000 1,000~10,000 1~1,000 1~100 1~100 주요용도 분산발전형 대규모 발전 대규모 발전 수송용 동력원 휴대용 전원 우주선용 전원 개발단계 실증-실용화 시험-실증 시험-실증 시험-실증 시험-실증 우주선 적용 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 44 4.5 친환경기계 시스템 연료전지 자동차의 에너지원으로 사용 가능 – 자동차용으로 가장 상용화에 근접한 연료전지 : PEMFC – 연료전지의 내구성, 가격, 수소연료의 안정성에 대한 사회적인 거부감 – 현재 열기관인 엔진을 대체하기까지는 무리 → (과도기) 하이브리드차량/ 모터로 엔진의 낮은 효율을 보완하는 엔진-축전지-모터의 결합 고온용 연료전지 – 저가의 세라믹 촉매와 고온의 열원으로 개질기 구동 → 연료에 덜 민감함 – 가스터빈과 하이브리드발전에 적용 → 효율 상승 그림 4.28 연료전지 장치의 개략도 Introduction to Mechanical Engineering 그림 4.29 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템 및 고효율 달성 기계공학개론 45 4.5 친환경기계 시스템 풍력발전 시스템 풍력발전 시스템 – 바람 에너지 → 기계에너지 → 전기에너지로 변환 – 청정에너지인 바람을 동력원으로 사용 → 대기오염, 방사선 누출 등 환경문제 없음 – 설비부지 면적이 비교적 적고 발전단가도 낮음 → 매우 빠른 속도로 증가 풍력발전 시스템의 구성 기계장치부 회전력 생산 : 회전날개, 회전자, 회전축 적정 속도로 변환 : 증속기 전기장치부 안정된 전력공급 : 발전기, 전력안정화장치 제어장치부 무인운전 : 제어시스템 날개의 방향 조절 : yaw, pitch 제어 그림 4.30 수평축 기어형 풍력발전기 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 46 4.5 친환경기계 시스템 우리나라의 풍력발 전제주도의 풍력발전 – 제주도 전체의 풍력자원 부존량 : 1995년 제주도에서 소비한 전체 전력의 5.5배 – 생산단가 : 송전케이블을 통해 제주도로 송전되는 화력이나 원자력전기 단가보다 높지 않음 → 풍력을 적극적으로 개발하는 것이 환경적, 산업적 측면에서 매우 유리 그림 4.31 한경풍력발전소 전경 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 47 4.5 친환경기계 시스템 친환경기계 시스템 동영상 (태양광 / 풍력 발전) 동영상 Introduction to Mechanical Engineering 기계공학개론 48